鉄道車両用 7000 系アルミニウム合金中厚板の FSW 接合技術
Friction Stir Welding of 7000 Series Aluminum Alloy for Railway Vehicles
吉 澤 正 皓 Masaaki YOSHIZAWA
石川武 Takeshi ISHIKAWA
渥美健太郎 Kentarou ATSUMI
アルミニウム合金製の鉄道車両構体には，部位によって種々のアルミニウム合金が使用されている．構体の大部分は A6N01 合金のダブルスキン形材が用いられている．形材の接合部はおよそ 3 ～ 4mm の板厚が多い．
対してまくらはり等の強度が必要な部位には A7N01 合金が使用されており，その板厚は数 mm から十数 mm である．一般的に 7000 系のアルミニウム合金は 6000 系アルミニウム合金に比べて FSW の接合条件範囲が狭い．
また，当社内では A6N01 合金への FSW 適用はあるが，A7N01 合金へはまだ無い．FSW の適用拡大のため，板厚 15mm までの A7N01 合金の接合について研究した結果を報告する．
Aluminum alloy railway vehicle body is made of different types of aluminum alloy series. The most of the bodystructure are made of A6N01 alloy double skin extruded shapes. A7N01 alloy is used in the part where strength suchas body bolster is necessary, and the board thickness is ten millimeter or so. Generally, as for the aluminum alloy of
the 7000 series, a welding condition range of FSW is smaller than 6000 series aluminum alloy. There is theapplication of FSW to A6N01 alloy in us, but A7N01 alloy does not yet have it. For application expansion of FSW,
this paper reports FSW of 15mm thickness A7N01 alloy board.

１ 序論

は，接合可能な条件範囲が狭い．塑性流動が悪い材料で現在のアルミニウム合金製の鉄道車両構体は押し出し

はプローブにネジを切る事が有効である(4)．しかし，窒成型された形材によって構成されている．押出形材の利化ケイ素ツールはプローブ部にネジを切る事が困難であ点は目的の部位に合わせて複雑な形状が成形でき，さまる．

ざまな機能を持った構造を一度に作れる点である．これ

本紙では最大板厚15mmのA7N01合金の接合を目指す．

は形材同士の接合部にも言える．アルミニウム合金形材

初めに厚さ6mm板に対しプローブにネジ加工を施した工はその端部に嵌合部があり，模型を組むように繋ぐこと

具鋼ツールで接合実験を行い，窒化ケイ素ツールとの接ができる．また，同時にこの嵌合部は溶接継手の開先を合条件範囲の比較をする．比較結果から板厚15mmの接形成している．この嵌合部の形状をFSWに合わせて最合条件を決定し，ネジ付き工具鋼ツールによる接合を試みた．最後に作製した板厚15mmの継手の機械的性質の(1)

適化することで高品質な接合が可能となっている ．

調査を行い，接合条件の良否を判定した．本紙ではこれ

上記の形材は6000系アルミニウム合金のA6N01合金

らの結果について報告する．

で製作されている．これらは鉄道車両構体の側構体や屋根構体に用いられている．対して，より強度が必要となる部位には7000系アルミニウム合金のA7N01合金が使用

２ 実験方法されている．アルミニウム合金のFSW接合条件は合金

２．１ 接合ツール詳細

種によって接合可能な条件範囲が異なる．高温での耐力

図1に板厚6mm用の接合ツールの形状を示す．材質はが高く，塑性流動性の悪い7000系合金は6000系合金に比SKD61，プローブ部はφ6mmで逆ネジを加工している．
プローブ長は5.9mm，ショルダ径はφ15mmとした．

(2)

べて条件範囲が狭い ．
当社技報第一号において橋本ら が窒化ケイ素ツール

図2に板厚15mm用の接合ツールの形状を示す．プロー

を用いて板厚6mmのA7N01合金の接合を行った結果によ

ブはテーパ形状とし，板厚6mm用と同様にネジ加工を施れば，ツール回転数600rpm，接合速度150mm/min，回転した．なお，材質は同様である．プローブ長は14.9mm，

ピッチP=0.25（接合速度／ツール回転数）で無欠陥の良

ショルダ径はφ30mmとした．

(3)

好な継手が得られた．窒化ケイ素ツールを用いた接合で総合車両製作所技報

第４号

38

鉄道車両用 7000 系アルミニウム合金中厚板の FSW 接合技術

図1

板厚 6mm 用の接合ツール形状

図3

接合実験の模式図

３ 中厚板の接合予備実験
板厚15mmを接合する前段階として，板厚6mmを用いてネジ付き工具鋼ツールの適切な接合条件範囲の調査と窒化ケイ素ツールとの比較を行った．この結果を元に4章において，板厚15mmの接合実験を行った．
３．１ 適正なツール挿入量の調査実験
位置制御におけるツール挿入量を決定するためCAD
図2

上で作図を行い，図1に示した6mm用ツールのショルダ

板厚 15mm 用の接合ツール形状

が材料表面に0.1mm埋没する深さを求めたところ，ツー
ル挿入量は5.8mmであった．この値を用い位置制御方式

２．２ 被接合材料

にて，表1に示す接合条件で接合実験を行った．No.1は被接合材料は材質A7N01S-T5，形状は平板，板厚

窒化ケイ素ツールにおいて良好であったツール回転数と6mm，15mm，幅100mmを使用した．なお，長さ寸法は接合速度である．被接合材料の長さは250mmとし，接合実験により異なるため，都度記載する．継手形状は突合

長は190mmとした．

せ継手とした．

表1

２．３ 接合方法詳細

No.

ツール挿入量調査実験条件

ツール回転数

接合速度

ツール挿入量ピッチ（rpm）（mm／min）（mm ）（mm／rev）

接合ツールは接合方向に対して3°の傾斜角を持たせる．裏当て板は表面を機械加工で仕上げたSS400を使用

1

600

150

5.8

0.25

する．ツールの回転方向は時計回りとする．突合せ継手

2

600

300

5.8

0.50

の接合の場合，接合ツールの中心と突合せ面の位置を目
No.1，No.2ともにビード外観は良好であった．溶接線視により概略一致させる．接合の開始（始端）と終了（終内部の全長に渡って欠陥有無とその分布を調査するた端）は最低でも，板端から約30mm内側とする．
制御方式は位置制御または荷重制御を使用する．実験

め，放射線透過試験を実施した．No.1，No.2の両方で接ごとにどちらかを適宜選択するため，その都度，どちら合の始端から約50 ～ 60mmの範囲に黒い筋状の影が確認を使用したかを記載する．図3に示す接合の模式図のよできた．例として，より明確に影が生じたNo.2の放射線

うに，位置制御で接合を行う場合，材料表面から傾斜し透過試験の撮像を図4に示す．

たツールのプローブ先端の距離をツール挿入量とする．

図4の黒い影は外観上でその位置にキズや異物の付着

このツール挿入量は接合の開始地点の材料表面を基準となどが無いことから内部欠陥と考えられる．この結果をし，接合中はこの位置を保持する．接合中に材料表面をもとに断面マクロ試験を行った．観察位置は始端，終端センサで検出し，能動的にツール挿入量を変化させるこから50mmの位置とした．代表としてNo.2の継手の断面とはしない．

を示す．

39

2015年12月

図4No.2 継手の放射線透過試験の撮像
ショルダ部は材料表面で回転しながら接触し摩擦熱を

図5に始端側の断面，図6に終端側の断面を示した．接生じさせる熱源である．そのため，ツール挿入量が不十合方向は紙面奥から手前である．

分であれば，ショルダも材料に十分接触できない．

図5の始端側の断面は図4で示した内部欠陥と推測した位置である．試料表面付近に直径0.5mmの欠陥が発生し

図8にNo.1，No.2の接合中の接合荷重の変化を示す．

ている（図5の白点線の内側）．対して図6の終端側の断横軸は接合距離を示している．内部欠陥の発生していた面では欠陥の発生はない．図5と図6の断面から，おおよ50mmの位置では接合開始から荷重が減少し，その後はその熱加工影響部（TMAZ）の形状をトレースし模式図終端に至るまで増加している．始端から50mmの位置でを作成した．この模式図を図7に示す．図7より，始端側

は6 ～ 7kN程度の接合荷重である．対して終端からと終端側で表面近傍でのTMAZの形状が異なっている．

50mmの位置ではおよそ8kNである．荷重の減少と欠陥

終端側では表面に向かって放射状に広がっているのに対の発生位置が重なることから，接合荷重の減少はツール

し，始端側では逆に狭まっている．この原因として考えが材料から離れた結果であると考えられる．具体的な原られるのは材料表面とツールのショルダ部の接触であ因は不明であるが，裏当て板の反りや材料を拘束する際

る．

の浮き等によりツールと材料表面との相対位置が変化したことが考えられる．

図5

No.2

継手始端側の断面図6No.2

継手終端側の断面

総合車両製作所技報

第４号

40

図7

TMAZ の模式図

図8

接合荷重の変化

鉄道車両用 7000 系アルミニウム合金中厚板の FSW 接合技術

位置制御で得られた接合荷重のデータから，適正なツール挿入量を維持できる接合荷重を8kNと推定し接合を実施し，その時のツール挿入量を求めた．接合条件は表2に示した．ツール回転数，接合速度は表1と同様とし，制御方法を荷重制御とした．
No.

No.

ツール回転数

接合速度

接合荷重

ピッチ

（rpm）

（mm／min）（kN）（mm／rev）

表2

3 ツール回転数
6004

荷重制御実験条件
接合速度150（rpm）600 （mm／min）
300

接合荷重8.0

ピッチ0.25（kN）8.0 （mm／rev）
0.50

3

600

150

8.0

0.25

4

600

300

8.0

0.50

図 10

ツール挿入量の変化

試験結果を表3に示す．また，母材検査成績書（以下，
図9に断面マクロ試験の結果を示す．観察位置は始端，

ミルシート）の値を表4に示す．No.3，No.4で耐力，引終端から50mmの位置である．接合方向は紙面奥から手張強さ，破断伸びの値はほとんど変わらない．また，ミ前である．すべての断面において欠陥の発生は無い．

ルシートの引張強さに対しては90%以上の継手効率とな

図10に接合中のツール挿入量の変化を示す．横軸は接った．ネジ付き工具鋼ツールで健全な接合が可能である

合距離を示している．始端付近で6mm，終端付近でと分かった．以降の実験では余裕を見てツール挿入量を5.8mmである．この結果と図8の結果を合わせると，材6.0mmとする．

料または裏当て板の反りが始端と終端で0.2mmあり，こ

表3

れが位置制御での荷重の変動を生じさせたと考えられる．ツール挿入量が5.8mm＜ツール挿入量≦6.0mmであNo.

れば健全な接合が可能であると考えられる．
断面マクロ試験で内部欠陥が無いことが分かったた
め，No.3，No.4の強度調査を行った．A7N01は自然時効No.

引張試験結果0.2% 耐力

引張強さ

破断伸び

（MPa）

（MPa）

（%）

破断位置

3-10.2% 耐力
265

引張強さ
389

破断伸び133-2 （MPa）
266（MPa）389（%） 12

母材（RS）
破断位置
母材（RS）する合金である．今回は1カ月時効における引張試験を

3-1 3-3

265 268

389 390

13 13

母材（RS）
母材（RS）

実施した．試験片の本数は3本とした．試験片形状は3-2 4-1

266 274

389 396

12 11

母材（RS）
母材（RS）

ISO 4136に従った．

3-3 4-2

268 274

390 395

13 11

母材（RS）
母材（RS）

4-1 4-3

274 275

396 397

11 11

母材（RS）
母材（RS）

4-2

274

395

11

母材（RS）

4-3

275

397

11

母材（RS）

表4（a）No.3 始端付近（b）No.3 終端付近

母材ミルシートの値

耐力
引張強さ 破断伸び（MPa） （MPa）（%）
ミルシート 耐力360 引張強さ
413 破断伸び16（MPa） （MPa）
（%）
ミルシート

360

413

16

３．２ 最適接合条件の探索実験と考察
3.1の実験ではツール回転数600rpm，ピッチ0.25，0.50の条件において良好な継手が得られることが分かった．
この結果からピッチを最大0.75までとして，表5に示す（c）No.4 始端付近
図9

接合条件を設定した．材料および接合長は3.1と同様で（d）No.4 終端付近ある．

荷重制御における接合部断面41

2015年12月

始終端から50mmの位置において，断面マクロ試験を置は全てASよりの，プローブの底部またはプローブの実施した．断面図の一覧を図11に示す．接合方向は紙面

外径付近である．欠陥の発生機構は不明であるが，今回奥から手前である．白い破線で囲った範囲は内部欠陥のの条件範囲においては最もピッチの大きい条件であるこ

発生位置である．

とから単位長さ当たりの入熱量が少ない条件であること
表5が要因として考えられる．また，FSWにおいては塑性

接合条件

流動現象が欠陥の発生において重要である．

ツール回転数

接合速度

ツール挿入量

ピッチ

同じ7000系合金であるA7075合金，厚さ6.4mm，ネジ（rpm）（mm／min）（mm）（mm／rev）

付きツールを使用したColligan(5)の材料挙動の観察実験に

5

600

450

6.0

0.75

よれば，ショルダから離れたプローブ外径付近の材料は

6

1200

300

6.0

0.25

元の位置から上昇はするが，プローブ回りの移動がほと

7

1200

600

6.0

0.50

んど無い．また，プローブの底部では材料の上下動はほ

8

1200

900

6.0

0.75

とんど無く，わずかにRSに移動する．今回の欠陥発生

No.

にこのような材料の挙動が関係していることは考えられるが，詳細は不明である．
これまでの断面マクロ試験の結果を，欠陥の有無で図12に図示した．図12の実線で囲んだ範囲は，今回の結果
から欠陥無しで接合できると予想した条件範囲である．
また，点線で囲んだ範囲は欠陥が発生する予想の条件範囲である．
（a）No.5 始端付近（b）No.5 終端付近

窒化ケイ素ツールでは600rpm，150mm/minのみ欠陥無しであったが，ネジ付き工具鋼ツールにおいては，より広い範囲で接合が可能であると分かった．2種類のツールによる接合結果から，A7N01では低ツール回転数，低接合速度の条件が良いと考えられる．

（c）No.6 始端付近（d）No.6 終端付近（e）No.7 始端付近（f）No.7 終端付近

図 12

各接合条件における欠陥の有無

４ 板厚15mmの接合，最適条件の適用（g）No.8 始端付近
図 11

3章の実験において得られた結果から，最適と考えら（h）No.8 終端付近

れる接合条件により板厚15mmの接合を行った．また，断面マクロ試験結果作製した継手の断面および機械的性質を調査し，継手のピッチ0.75，ツール回転数600rpm，1200rpmの場合，終端または始終端で内部欠陥が発生した．欠陥の発生位

総合車両製作所技報第４号

良否を判断した．
これまでの結果から低ツール回転数，低接合速度の条件で板厚15mmの接合を行う．接合条件は表6に示した．

42

鉄道車両用 7000 系アルミニウム合金中厚板の FSW 接合技術

ピッチを0.20とした理由は板厚の増加により全体の熱容面ともに欠陥の発生はない．また，放射線透過試験によ量が増したことを考慮したためである．

り，溶接線の全長を検査したが欠陥を示唆する影は無か

接合ビードの外観を図13に示す．また，断面マクロ試った．図14の断面図では板厚6mmと比較して，はっきり

験結果を図14に示す．観察位置は始端から約50mmの位とした年輪状のオニオンリング(6)が表層近くに形成され置である．接合方向は紙面奥から手前である．外観，断ている．表層に近い位置で形成された理由はショルダとプローブの相互作用と考えられる(7)(8)．

表6
No.

9

A7N01合金は室温で自然時効する．接合から14日後，板厚 15mm の接合条件

28日後，84日後における硬さ分布をビッカース硬さ試験

ツール回転数

接合速度

ツール挿入量ピッチで調査した．AS母材と接合部の接合後14日の硬さ分布（rpm）（mm／min）（mm）（mm／rev）

を図15に示す．測定位置は材料の表面，裏面から1mmお

600

120

15.5

0.20

よび板厚の中心とした．測定距離の起点（0mm）はビー
ドの中心とした．
接合部から40mm以上離れた位置ではおよそ100 ～120HVである．接合に用いていない同材料の端材の硬さを，各高さで測定したところ，表7に示す結果となった．
ビード中心から40mm以上離れた位置では，母材の硬さ

図 13と同程度である．

接合ビード外観

ビード中心から±15mmの範囲は表面，板厚中心，裏面で，母材と比較して軟化している．
特に20～30mm（AS）と 20 ～ 30mm（RS）の軟化が著しい．図16に接合から28日後の接合部付近の硬さ分布を示す．また，同様に図17に84日後の接合部付近の硬さ分布を示す．接合から28
日，84日で接合中心から±15mmの範囲（ショルダ径の範囲）では硬さが母材並に回復している．この範囲における硬さの平均値を計算し，図18に示した．

図 14

板厚 15mm の断面マクロ写真

図 15接合から 14 日後の硬さ分布

43

2015年12月

図18によると接合から28日から84日の間でショルダ

ツールのプローブ部は根元がφ12mm，先端がφ7mm径の範囲では，硬さが母材並に回復することが分かる．

であるから，ビード中心から±6mmの範囲はプローブにそ の 外 側 の25mm，-25mm付 近 の 硬 さ は3カ 月 後 で もより攪拌された範囲である．しかし，その外側のほとん

100HV程度であった．

どは攪拌の影響が小さいまたは無い範囲である．ショル

表7

ダ径の範囲では3カ月時効の時点で硬さはほぼ一定であ

母材の硬さ試験結果 （単位：HV0.2）

測定位置 測定1 測定2 測定3
表面

平均る．最も軟化している±25mmの位置は，完全にツール

標準偏差115.6 114.9 115.3 115.30.3

板厚中心 112.7 119.1 120.7 117.5
裏面
114.1 116.0 116.0 115.4

3.5
0.9

から離れた位置であり熱の影響だけを受けていると考えられる．よってツール直下の範囲では攪拌と熱の両方ま
たは熱だけの影響によって，最終的な硬さに差はほとん
ど無い．対してツールより外側，言い換えれば熱源から離れた位置においては熱だけの影響により最軟化部が生じる．
最後に継手の静的強度について調査を行った．試験片
形状はISO 4136に従ったが，板幅の関係で平行部の長さを80mmとした．試験後の試験片写真を図19に示す．また，引張試験結果を表8に示す．ミルシートの値を表9に示す．
試験片の破断位置は全て接合中心から約25mmのASの母材であった．これは硬さ試験の最軟化部と一致する．
ミルシートの値に対する継手効率は91%と良好である．
表3の板厚6mmの引張試験結果と比較すると伸びの値が

図 16

ミルシートの半分未満と小さい値となっている．

接合から 28 日後の硬さ分布

以 上 の 結 果 か ら ツ ー ル 回 転 数600rpm， 接 合 速 度
120mm/minで接合が可能と分かった．この接合条件における接合荷重の変化を図20に示す．接合が安定する範囲
として，接合の始端，終端から30mmを除く範囲で接合荷重を計算した．接合荷重は18.9±0.2kNであった．板
厚6mm接合時の接合荷重の2.4倍となった．

図 17

図 18

総合車両製作所技報

接合から 84 日後の硬さ分布接合からの経過日数と硬さの変化

第４号

図 19

44

試験後の試験片写真

鉄道車両用 7000 系アルミニウム合金中厚板の FSW 接合技術

表8

板厚 15mm の引張試験結果

●

は無い．

0.2% 耐力

引張強さ

破断伸び

（MPa）

（MPa）

（%）

9 -1

250

365

7

母材（AS）

9 -2

252

365

7

母材（AS）

9 -3

251

364

7

母材（AS）

No.

表9

破断位置

参考文献
（1）川崎 健，他：
「中空押出形材で構成した鉄道車輌構体に対するFriction Stir Weldingの適用」，日本機械学会論文集（A編）71巻 701号，170-176，（2005）（2）「摩擦攪拌接合-FSWのすべて-」，18，（2006），産報

板厚 15mm のミルシート

耐力
（MPa）

引張強さ
（MPa）

破断伸び
（%）

328

400

20

ミルシート

接合部の硬さの回復において攪拌部，熱影響部の差

出版（3）橋本 健司，他：「窒化ケイ素ツールを用いた鉄道車
両用A7N01合金の摩擦攪拌接合」，総合車両製作所技
報 Vol.1，10-15，（2013），（株）総合車両製作所（4）Hidetoshi Fujii,et al：「Effect of tool shape mechanicalproperties and microstructure of friction stir welded
aluminum alloys」，Mater.Sci.Eng A，419，25-31，（2006）（5）K.Colligan：「Material flow behavior during friction
stir welding of aluminum」，Weld.J., 229-237，（1999）（6）福田 哲夫：「摩擦攪拌接合（FSW）技術」，溶接学
会誌 第69巻 第7号，6-10，（2007）（7）篠田 剛，他：「FSWの流動現象の観察」，溶接学会
全国大会講演概要 第77集，186-187，（2005）（8）G.R.Cui,et al：「Periodical plastic flow pattern infriction stir processed Al-Mg alloy」，SCR. MATER

図 20

vol58，1082-1085，（2008）

接合荷重の変化５ 結論
ネジ付き工具鋼ツールを用いたA7N01の接合実験によ著者紹介

り，以下の知見が得られた．
●

窒化ケイ素ツールと比較して，ネジ付き工具鋼ツー

吉澤正皓

ルでは接合条件範囲が広い．
●

今 回の実験範囲においてはツール回転数600rpm，1200rpm，ピッチ0.50以下の範囲でA7N01が接合可能と分かった．また，少なくともピッチ0.75以上で入石川

熱または攪拌不足による欠陥が発生する．
●

生産本部
技術部（接合技術センター）

武

博士（工学）
生産本部
技術部（接合技術センター） 課長

板厚15mmの接合はツール回転数600rpm，接合速度120mm/minで可能であった．A7N01は低ツール回転数，低接合速度の条件で内部欠陥の発生が無く，かつ十分な引張強さが得られる．

●

渥美健太郎

ネジ付き工具鋼ツールにより板厚6mm，15mmともに

生産本部

引張強さはミルシートの値に対して継手効率90%以

技術部（接合技術センター）

上が得られた．
●

接合部の硬さは28日から84日の間に母材並に回復す
るが，接合部の周辺に軟化部が残る．

45

2015年12月